陈彧课题组：高分子忆阻功能材料与器件研究新进展

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创新设计和制备兼具记忆和逻辑运算功能的新型忆阻功能材料，开发具有优异的保持力、耐用性和器件间性能一致性的忆阻器(memristor），已成为后摩尔时代人工智能芯片领域突破基于传统冯·诺依曼架构的算力瓶颈和摩尔定律限制的重要创新方向，也是一项极具挑战性的课题。虽然这类器件具有结构简单、速度快、功耗低、高存储容量和存内数据处理能力及与CMOS工艺兼容等优点，但是大多数阻变介质的结构不均匀性通常会导致随机和高度局部的电阻开关特性，从而降低了实际应用中纳米级忆阻器的良率和可靠性。
       我校化学与分子工程学院的陈彧教授团队长期从事有机高分子光电信息功能材料研究工作（www.chenyu.polymer.cn）。作为课题组的研究方向之一，近年来该课题组在国家自然科学基金重点基金、国际合作基金等基金的有力支持下，开展了新型非易失性高分子阻变存储和忆阻功能材料的设计、合成和器件性能研究工作。项目《新型非易失性高分子阻变存储材料》荣获2018年教育部自然科学奖二等奖。最近，陈彧团队与上海交通大学刘钢研究员及合肥工业大学张章教授合作，利用二维有机共轭策略提高高分子的共平面性、结晶度和阻变稳定性，通过微纳加工技术制备了良率高达90%的低功耗的纳米神经形态器件，这种器件具有与金属氧化物忆阻器可比拟的应用潜力，为发展小型化、高密度与低功耗存算计算技术提供了新的材料体系和优势器件基础。

图1 二维共轭高分子的分子结构、堆叠顺序和纳米器件性能

       研究人员以制备的二维共轭高分子PBDTT-BQTPA为活性层，在国际上首次制备了线宽为100纳米的高分子忆阻器件，在百纳米到百微米的尺度范围内呈现了均匀的忆阻调变，器件响应时间小于32 ns、功耗仅为10 fJ/bit、循环耐受性大于108次，D2D性能参数波动介于3.16% ~8.29%，器件良率高达90%以上。利用这种具有高稳定性和快速响应特点的有机高分子忆阻器件构建了二进制神经网络并用于手写阿拉别数字的识别。结果表明，使用1万张图片训练1个周期后的识别率可以达到99.23%，在模式识别任务上展现了令人满意的性能。
       相关研究成果以“90% Yield Production of Polymer Nano-Memristor for In-Memory Computing”为题发表在Nature Communications 2021,12:1984上。华东理工大学是论文的第一通讯单位。陈彧团队的张斌副教授、上海交通大学刘钢团队的博士生陈威林和合肥工业大学张章团队的曾剑敏博士是该论文的共同第一作者，陈彧教授、刘钢研究员和张章教授是该论文的共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金委、国家重点研发计划、上海市科委、复旦大学专用集成电路国家重点实验室和华为的经费支持。
       目前报道的工作是陈彧教授团队在Nature Communications上发表的第2篇关于高分子忆阻器的工作。先前的工作主要涉及基于侧链含三苯胺和二茂铁基团两个氧化还原体系的聚芴功能材料的柔性忆阻器器件的构建(Nature Communications 2019,10,736)。该器件的模拟忆阻行为不仅能够执行十进制四则算术运算，还可以完成基本的二元布尔逻辑操作，从而在单一聚合物忆阻器中实现多值信息存储与处理功能的集成。多态编码方式可以在单个器件中存储更多的信息，从而提高有效面积上的存储密度。
      原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-22243-8.pdf


      文章来源：华东理工大学
      陈彧（Chen Yu）：1996年7月毕业于复旦大学，获理学博士学位，1998年4月任复旦大学化学系副教授。2000-2004年先后留学德国蒂宾根（Tuebingen）大学有机化学研究所（洪堡学者）、美国华盛顿大学材料科学工程系（研究员）、日本东北大学多元物质科学研究所（研究科学家）。现为上海市东方学者特聘教授、博士生导师，华东理工大学特聘教授、福州大学客座教授，华东理工大学“先进材料与制备技术”博士点导师组组长，院学术委员会和职称评定委员会委员，华东理工大学学科建设教授委员会委员，上海市委统战部第四第五届上海市中青年知识分子联谊会会员，上海市欧美同学会会员。上海市优秀学科带头人（2005）、上海市曙光学者（2005）、上海市东方学者（2008）、上海市曙光跟踪计划获得者（2008）、教育部新世纪优秀人才（2005）。荣获上海市科技进步三等奖、上海市自然科学奖一等奖、上海市自然科学奖二等奖等多项省部级奖励。美国化学会会员。自2002年以来长期担任美国化学会权威期刊（J. Am. Chem. Soc.、J. Phys. Chem.、J. Org. Chem.、Organic Letters、Macromolecules）和英国皇家化学会所属权威期刊（Chem.Commun.、J.Mater.Chem.等）论文评审人。迄今为止，已在Chem. Soc. Rev.（影响因子：20.086）、Angew. Chem. Int. Ed (影响因子:11.828); J. Am. Chem. Soc. (影响因子:8.58)；Adv. Mater.(影响因子:8.379); Adv. Funct. Mater. (影响因子:6.99)、Chem. Commun. (影响因子:5.504)、Organic Letters (影响因子:5.42)、Chem. Eur. J.(影响因子:5.382); Chem. Mater. (影响因子:5.368)、J. Mater. Chem.(影响因子:4.795)、Macromolecules(影响因子:4.439); 等国际著名和知名SCI 期刊发表了影响因子介于3-21之间的论文近50篇，SCI/EI 收录论文总数176篇，被他人引用1300余次。单篇论文最高他引次数为130次。